(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の燃焼器（５６）と、タービン（５８）を備えるガスタービン（１２）から熱を除去するための装置（１０）であって、
空洞（２６）を内部に備えるコンポーネントと、
前記空洞（２６）内部の第１のプレナム（２８）と、
前記空洞（２６）内部に配置され、前記第１のプレナム（２８）に連結されかつ前記空洞（２６）内部で前記第１のプレナム（２８）を囲む第２のプレナム（３０）と、
前記第１のプレナム（２８）及び第２のプレナム（３０）を通って流れて前記コンポーネントから熱を除去する冷媒と、を含み、
前記第１及び第２のプレナム（２８、３０）が、前記冷媒の閉じたループを規定し、
前記閉じたループを貫通する複数のアパーチャ（４６）が、該複数のアパーチャ（４６）を通り、前記閉じたループの周りを流れる冷却空気を提供し、
前記第１及び第２のプレナム（２８、３０）の一方が、前記空洞（２６）の外側の前記冷媒の流れを提供する、
装置（１０）。
【請求項２】
タービン（１２）から熱を除去するための装置（１０）であって、
ａ．ステータ（１８）と、
ｂ．前記ステータ（１８）内部の空洞（２６）と、
ｃ．前記空洞（２６）内部の第１のプレナム（２８）と、
ｄ．前記空洞（２６）内部に配置され、前記第１のプレナム（２８）に連結されかつ前記空洞（２６）内部で前記第１のプレナム（２８）を囲む第２のプレナム（３０）と、
ｅ．前記第１のプレナム（２８）及び第２のプレナム（３０）を通って流れて前記ステータ（１８）から熱を除去する冷媒と、を含み、
前記第１及び第２のプレナム（２８、３０）が、前記冷媒の閉じたループを規定し、
前記閉じたループを貫通する複数のアパーチャ（４６）が、該複数のアパーチャ（４６）を通り、前記閉じたループの周りを流れる冷却空気を提供し、
前記第１及び第２のプレナム（２８、３０）の一方が、前記空洞（２６）の外側の前記冷媒の流れを提供する、
装置（１０）。
【請求項３】
１以上の燃焼器（５６）と、タービン（５８）を備えるガスタービン（１２）から熱を除去するための装置（１０）であって、
空洞（２６）を内部に備えるコンポーネントと、
前記空洞（２６）内部に配置され、供給プレナムと排出プレナムを有する閉じたループ冷却システムと、
前記供給プレナム及び前記排出プレナムを通る冷媒と、を含み、
前記閉じたループ冷却システムを貫通する複数のアパーチャ（４６）が、該複数のアパーチャ（４６）を通り、前記閉じたループ冷却システムの周りを流れる冷却空気を提供する、
装置（１０）。
【請求項４】
前記第１のプレナム（２８）及び第２のプレナム（３０）が、ほぼ同心のチューブである、請求項１から請求項３のいずれか１項記載の装置（１０）。
【請求項５】
前記第２のプレナム（３０）が、該第２のプレナムを貫通する前記複数のアパーチャ（４６）を形成する、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記第２のプレナム（３０）上に放射性皮膜をさらに含む、請求項１から請求項５のいずれか１項記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記冷媒が、１．５ｋＪ／ｋｇＣよりも大きい比熱容量を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項記載の装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン構成要素から熱を除去するための装置及び方法を含む。具体的には、本発明は、燃焼器、ステータ、ケーシング及びその他のタービン構成要素のための放射冷却を行なう冷却システムを含む。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電用の商業運転に広く使用される。一般的ガスタービンは、前部に圧縮機、中央部の周りに１つ又はそれ以上の燃焼器、及び後部にタービンを含む。圧縮機は、作動流体（空気）に運動エネルギーを与えて高エネルギー状態にする。加圧作動流体は、圧縮機から流出しかつ燃焼器に流れる。燃焼器は、燃料を加圧作動流体と混合し、かつ燃料及び作動流体の混合物は点火燃焼させて高い温度、圧力及び速度を有する燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、タービンに流れ、タービンにおいて、燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。
【０００３】
ガスタービンの熱力学的効率は、作動温度すなわち燃焼ガス温度が上昇するにつれて増大することは広く知られている。タービン内で燃焼ガスが膨張する時に、より高温の燃焼ガスほどより多くのエネルギーを含みかつより多くの仕事を産生する。しかしながら、高温燃焼ガスは、様々なタービン構成要素の融点に近づくか又は超えるおそれがある過度の温度をタービン内に生じさせる可能性がある。
【０００４】
燃焼器をより高温で作動させるのを可能にする様々な技法が存在する。例えば、空気が、圧縮機から抽出され、燃焼器の周りを迂回しかつタービン内の燃焼ガスのストリーム内に直接噴射されて、タービン段に対して伝導及び／又は対流冷却を行なうことができる。しかしながら、圧縮機から抽出した空気は、既に加圧され、従って幾らか加熱されており、それによって抽出空気の熱除去能力が低下している。加えて、抽出空気は燃焼器を迂回するので、圧縮機からの抽出空気は、燃焼ガスのボリューム並びにガスタービンの全体効率及び出力を低下させる。
【０００５】
タービン構成要素を冷却する別の方法は、タービン構成要素の内部を通して空気を循環させることである。例えば、タービンは一般的に、固定ノズルつまりステータ及び回転ブレードつまりバケットを含む。ステータ及び／又はバケットは、これを通って冷却空気が流れることができる内部通路を含むことができる。冷却空気が内部通路を通って流れる時に、冷却空気は、内部通路の壁に直接接触して、伝導又は対流冷却によりステータ及び／又はバケットから熱を除去する。この冷却方法の欠点は、ステータ及び／又はバケット内に精細に成形した内部通路を製作するのに関連する製造コストの増大である。加えて、内部通路を通って流れる冷却空気は好ましくは、燃焼ガスがステータ及び／又はバケットに貫入し、それによって冷却空気で得られるあらゆる冷却作用を低下させるおそれがある危険性を最少にするように、タービン構成要素の外側を流れる燃焼ガスよりも高圧でなければならない。最後に、熱により仕事を産生しない状態でガスタービンから熱を除去することは、必然的にガスタービンの熱力学的効率全体を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，５０３，７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ガスタービン構成要素から熱を除去することができ、かつ既存のシステムの欠点の幾らか又は全てを回避した冷却システムに対する必要性が存在する。冷却システムは、製造コストを増大させずに或いはガスタービンの全体運転効率を低下させずに、ガスタービン構成要素に対して冷却を行なうことになるのが理想的である。
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの実施形態は、１つ又はそれ以上の燃焼器及びタービンを有するガスタービンから熱を除去するための装置である。本装置は、ガスタービン内に構成要素を含み、構成要素は、その中に空洞を含む。本装置はさらに、空洞内部に第１のプレナム及び第２のプレナムを含む。第２のプレナムは、第１のプレナムに接続され、かつ空洞内部で該第１のプレナムを囲む。冷媒が、第１のプレナム及び第２のプレナムを通って流れてガスタービン構成要素から熱を除去する。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、タービンから熱を除去するための装置である。本装置は、内部空洞を有するステータを含む。第１のプレナムが、空洞内部に配置され、また第２のプレナムが、空洞内部に配置されかつ第１のプレナムに連結される。第２のプレナムは、空洞内部で第１のプレナムを囲む。冷媒が、第１のプレナム及び第２のプレナムを通って流れてステータから熱を除去する。
【００１１】
本発明はまた、タービンを冷却する方法を含む。本方法は、冷却する構成要素内に空洞を形成するステップと、空洞内部に第１のプレナムを据付けるステップと、空洞内部に第２のプレナムを据付けるステップとを含む。本方法はさらに、第２のプレナムを第１のプレナムに連結するステップと、空洞内部で第２のプレナムで第１のプレナムを囲むステップと、第１のプレナム及び第２のプレナムを通して冷媒を流して構成要素を冷却するステップとを含む。
【００１２】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１３】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つの実施形態による冷却システムの簡略断面図。
【図２】本発明の１つの実施形態による、図１に示すステータの上面図。
【図３】本発明の技術的範囲内にある冷却システムの別の実施形態の断面図。
【図４】ガスタービン複合サイクルとの関連での本発明の実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、その１つ又はそれ以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１６】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１７】
図１は、本発明の１つの実施形態による冷却システム１０の簡略化断面図を示している。この特定の実施形態では、冷却システム１０は、タービン１２のステータから熱を除去するために使用されている。冷却システム１０は、タービンステータと関連して説明しかつ図示しているが、本発明の技術的範囲は、タービンステータを冷却することに限定されるものではなく、冷却システム１０が事実上あらゆるガスタービン構成要素から熱を除去するように適応させることができることは、当業者には解るであろう。
【００１８】
図１を参照すると、燃焼ガスは、左から右に、燃焼器（図示せず）から移行部品１４を通ってタービン１２に流れる。ケーシング１６は、タービン１２内に燃焼ガスを含み、燃焼ガスを第１段ステータ１８に導く。第１段ステータ１８は、燃焼ガスを第１段バケット２０上に送り、第１段バケット２０において、燃焼ガスの膨張により、バケット２０が回転して仕事を産生するようになる。燃焼ガスは次に、第２段ステータ２２に流れ、燃焼ガスがタービン１２の各段を通過するまでこのプロセスを繰返すようになる。燃焼ガスがタービン段を通過する時に、燃焼ガスからの熱は、高温ガス路に沿った様々なタービン構成要素の温度を上昇させる。例えば、燃焼ガスは、ケーシング１６及びタービン１２内のステータ１８、２２、２４を加熱する。
【００１９】
図１に示す実施形態では、各ステータ１８、２２、２４は、ステータの内部に空洞（破線のボックス２６によって表す）を形成する。冷媒を収容する供給プレナム２８は、ケーシング１６を通過して冷媒が各空洞２６内に流入する又は到達するようになった流体連通を形成する。排出プレナム３０は、各空洞２６内部で供給プレナム２８に連結し、かつケーシング１６を出て冷媒が各空洞２６から流出する又は到達するようになった流体連通を形成する。このようにして、冷媒は、供給プレナム２８を通って各ステータ１８、２２、２４内に流入し、かつ排出プレナム３０を通って各空洞２６から流出する。冷媒は、供給プレナム２８の表面温度を各空洞２６の表面温度よりも常に低く維持して、高温空洞２６と低温プレナム２８との間の放射及び対流熱交換を可能にする。
【００２０】
図１に示すように、供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、いずれかが他方の内側になった状態でのほぼ同心のチューブとすることができる。例えば、図１に示すように、供給プレナム２８は、排出プレナム３０を囲むことができる。しかしながら、別の実施形態では、排出プレナム３０は、供給プレナム２８を囲むことができる。特許請求発明の保護範囲の広さを保証するために、供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、より総称的に第１及び第２のプレナムと呼ぶことができ、特許請求の範囲に記載している特定の実施形態に応じて第１のプレナムが供給プレナム２８又は排出プレナム３０のいずれかを意味し、また第２のプレナムが他方のプレナムを意味することになる。
【００２１】
このチューブ内チューブ設計は、既存のシステムに勝る多くの実施可能な利点をもたらす。例えば、供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、特に従来技術システムの幾つかのステータに見られる複雑な内部流れチャネルに比べて、ステータ１８、２２、２４への冷媒の供給及び該ステータ１８、２２、２４からの冷媒の除去のための安価な構造を構成する。供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、ステータの製造及び組立とは独立して製造しかつ組立てて、付加的な自由度及び製造コストの低下を得ることができる。
【００２２】
加えて、供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、冷媒を高温ガス路から分離する信頼性がある境界を構成する。その結果、冷媒の圧力は、燃焼ガスがステータ壁を突破る危険性を増加させることなく燃焼ガス圧力よりも実質的に低くすることができる。加えて、冷媒は、およそ１、０００Ｊ／ｋｇＣの比熱容量を有する空気に限定されるものではない。代わりに、１、５００Ｊ／ｋｇＣよりも高い比熱容量のような優れた比熱容量特性を有する他の多くの容易に入手可能な流体を、冷媒として用いることができる。例えば、燃料（１、６７０Ｊ／ｋｇＣ）、水蒸気（２、０１４Ｊ／ｋｇＣ）及び水（４、１８６Ｊ／ｋｇＣ）が、ガスタービン複合サイクル（ＧＴＣＣ）システムで容易に入手可能な流体であり、これらは空気に比べて優れた比熱容量を有する。同様に、冷媒は、圧縮機から抽出されかつ摂氏２００度を超える温度に達した空気に限定されるものではない。代わりに、室温（２０℃）で他の多くの容易に入手可能な流体を冷媒として用いることができる。熱伝達の大きさは、冷媒の比熱容量及び温度差に正比例するので、チューブ内チューブ設計は、同じ流量と仮定すると、冷媒として空気だけに依存するシステムよりも高い熱伝達能力の可能性をもたらす。
【００２３】
図１に示す冷却システムは、タービンステータからの熱の除去との関連で説明しかつ図示しているが、本冷却システムが事実上あらゆるガスタービン構成要素から熱を除去するように適応させることができることは、当業者には解るであろう。例えば、ケーシング１６は、空洞を形成することができ、また供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、空洞内に設置されて高温ガス路を囲むケーシング１６に対して冷却を行なうことができる。同様に、各燃焼器は、燃焼室を囲むライナを含むことができる。供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、燃焼器ライナに隣接して設置されて燃焼室を冷却することができる。
【００２４】
図２は、本発明の１つの実施形態による、図１に示すステータ１８、２２、２４の上面図を示している。図示するように、ステータ２２は、結合してステータ２２の内部に空洞２６を形成した正圧側面３４及び負圧側面３２を含む。供給プレナム２８は、図２では、円形チューブのように見える排出プレナム３０を囲むほぼ楕円形チューブのように見える。しかしながら、前述のように、排出プレナム３０は、別の実施形態では供給プレナム２８を囲むことができる。加えて、供給プレナム２８及び排出プレナム３０は、製作及び製造を可能にするような又は熱伝達を増大させるようなあらゆる形状を取ることができる。
【００２５】
本発明の技術的範囲内にある特定の実施形態は、高温ガス路から冷媒への熱伝達を可能にする又は改善する付加的特徴部を含むことができる。例えば、図２に示す供給プレナム２８の外部の表面積は、それを通して熱伝達を行なうことができる表面積を増加させるように拡大することができる。加えて、供給プレナム２８の外部表面は、冷媒への熱伝達をさらに可能にするようにステータ２２の内壁に適度に可能なだけ近接させることができる。最後に、ステータ２２、供給プレナム２８及び排出プレナム３０の各表面に放射性皮膜（ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ  ｃｏａｔｉｎｇ）を施工して、様々な表面を通しての冷媒への熱の通過を可能にすることができる。
【００２６】
図３は、本発明の技術的範囲内にある冷却システム３６の別の実施形態の断面図を示している。冷却する構成要素はここでも同様に、構成要素内部に空洞４０を形成した表面３８を含む。冷却システム３６はここでも同様に、冷媒が空洞４０内に流入又は到達するようになった流体連通を形成した供給プレナム４２を含む。供給プレナム４２の両側の空洞４０を出る排出プレナム４４は、供給プレナム４２を囲む円筒形状とすることができるか、或いは供給プレナム４２を囲む複数チューブとすることができる。図３に示す排出プレナム４４は、空洞４０に供給された冷却空気が排出プレナム４４を通って循環して構成要素への熱伝達をさらに改善することが可能である複数のアパーチャ４６を含む。
【００２７】
本発明の冷却システムが、空洞、燃焼ガス又は周囲の空気から分離した閉ループ内に冷媒を含むという事実により、本発明の冷却システムは、以前は実施可能又は実用可能でなかった燃料、蒸気、空気及び水のような多くの流体を、冷媒として用いることを可能にする。例えば、ガスタービン複合サイクル（ＧＴＣＣ）は、反復して加熱及び冷却されるか、又はＧＴＣＣで用いるのに先立って予熱することを必要とする多くの流体システムを含む。本発明の冷却媒体システムは、これらの流体のいずれかを冷媒として用いることができる。その結果、冷却システムによって得られた熱除去能力は、ガスタービン熱力学的効率を損ねないだけでなく、ＧＴＣＣで用いる様々な流体を予熱することによって、ＧＴＣＣの熱力学的効率もまた改善することができる。
【００２８】
図４は、ＧＴＣＣ４８の概略図との関連で本発明の実施形態を示している。ＧＴＣＣ４８は一般的に、熱回収システム５２と組合せたガスタービン５０を含む。ガスタービン５０は、一端部に圧縮機５４、中央部の周りに１つ又はそれ以上の燃焼器５６、及び他端部にタービン５８を含む。圧縮機５４及びタービン５８は、共通のロータ６０に連結し、この共通のロータ６０は、発電機６２を駆動して電力を生成する。熱回収システム５２は、ガスタービン５０から熱を回収する閉ループシステムを含んで、ガスタービン５０の熱力学的効率全体を改善する。熱回収システムは、熱交換器６４、蒸気タービン６６、復水器６８及び補助発電機７０を含む。熱交換器６４は、タービン５８を出る燃焼ガスから熱を回収し、かつこの回収した熱により蒸気を発生する。蒸気は、蒸気タービン６６を通って流れて、補助発電機７０に連結されたシャフト７２を回転させて電力を生成する。次に、蒸気は復水器６８に流れ、ポンプ７４が復水を循環させて熱交換器６４に戻し、このようにして循環が繰返される。
【００２９】
図４に示すように、本発明は、ＧＴＣＣの幾つかの箇所からの流体を使用することができる。例えば、復水器６８と熱交換器６４との間の復水は、熱回収システム５２からタービン５８に分流させて、前記のようにステータ又はケーシングを冷却することができる。このようにして、復水がタービン５８への冷媒として働いてタービン５８から熱を除去し、タービン５８は次に、復水が熱交換器６４を通って流れて蒸気に変換される前に復水用の予熱器として働く。タービン５８から復水へのこの熱交換は、タービン構成要素の温度を低下させて、ガスタービン５０全体のいかなる熱力学的効率も犠牲にせずに、より高い燃焼温度を可能にする。
【００３０】
燃焼器５６で消費される燃料もまた、燃焼に先立ってタービン構成要素から熱を除去する冷媒として用いることができる。例えば、図４に示すように、燃料を燃焼器５６に供給する燃料ラインは、燃焼先立ってまずその燃料の一部をタービン５８に循環させてタービン構成要素から熱を除去することができる。同様に、ガスタービン５０の圧縮機５４を通って流れる空気の一部は、タービン５８に導き、タービン構成要素から熱を除去する冷媒として用い、次にその後圧縮機５４に戻して再導入することができる。復水に関して前述したように、タービン５８から燃料又は空気への熱交換は、タービン構成要素の温度を低下させ、かつ燃料又は空気を予熱してガスタービン５０全体のいかなる熱力学的効率も犠牲にせずに、より高い燃焼温度を可能にする。
【００３１】
本発明の実施形態の事前の算定及び評価によると、ガスタービン構成要素にもたらされる放射冷却の大幅な増大を示している。改善した放射冷却は、既存の冷却システムを補うように使用してガスタービン構成要素の温度をさらに低下させるか又は保守サイクル間の時間を延ばすことができる。それに代えて、改善した放射冷却は、各用途に特有の作動上の考慮事項に応じて既存の冷却システムに完全に置換わるよう使用することができる。
【００３２】
特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００３３】
１０  冷却システム
１２  タービン
１４  移行部品
１６  ケーシング
１８  第１段ステータ
２０  第１段バケット
２２  第２段ステータ
２４  第３段ステータ
２６  空洞
２８  供給プレナム
３０  排出プレナム
３２  負圧側面
３４  正圧側面
３６  別の冷却システム
３８  構成要素表面
４０  空洞
４２  供給プレナム
４４  排出プレナム
４６  アパーチャ
４８  ＧＴＣＣ
５０  ガスタービン
５２  熱回収システム
５４  圧縮機
５６  燃焼器
５８  タービン
６０  ロータ
６２  発電機
６４  熱交換器
６６  蒸気タービン
６８  復水器
７０  補助発電機
７２  シャフト
７４  ポンプ
７６  燃料ライン
【図１】
0005599275.tif 000002
【図２】
0005599275.tif 000003
【図３】
0005599275.tif 000004
【図４】
0005599275.tif 000005